酸碱度及金属离子浓度对纳米二氧化钛的物性影响毕业论文.docx

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酸碱度及金属离子浓度对纳米二氧化钛的物性影响毕业论文

酸碱度及金属离子浓度对纳米二氧化钛的物性影响

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

摘要：

随着纳米科技的迅速发展，纳米材料广泛应用于人类日常生产生活中。

装修材料中的纳米二氧化钛即可杀菌防霉，又可降解有机污染物；处理水污染问题时使用纳米二氧化钛可以对重金属离子进行混凝吸附效应，达到去除重金属离子的结果。

而在什么条件下用纳米二氧化钛与环境中污染物的相互作用效率较高的研究并不多。

本文针对不同酸碱度、金属离子类型、结合时间、金属离子浓度对纳米二氧化钛的物性影响进行了一系列的研究，得出pH在不同时间下其作用产物的粒径与Zeta电位。

关键词：

重金属、纳米二氧化钛、吸附、粒径、Zeta电位

Abstract:

Withtherapiddevelopmentofnanotechnology,Nanomaterialsarewidelyusedinourdailylife.Thedecorationmaterialsinnanometertitaniumdioxidecanbebactericidal,anddegradationoforganicpollutants.NanoTiO2wasfoundtotreatpollutionproblemduetoitscoagulationadsorptioneffectandshowgreateffecttoremoveheavymetalions.However,therewerefewresearchontheinteractionofhighefficiencyforpollutantsandnanometertitaniumdioxideindifferentenvironmentalconditions.TheparticlesizeandZetapotentialofTiO2nanoparticlesweremeasuredunderdifferentwaterconditionsincludingpH,concentrationofmetalionsandbindingtime.

Keywords:

Heavymetal;Nanotitaniumdioxide;Adsorbent;Particlesize;Zetapotential

1引言

纳米二氧化钛是一种应用非常广泛的纳米材料，装修材料中的纳米二氧化钛即可杀菌防霉，又可降解有机污染物；处理水污染问题时使用纳米二氧化钛可以对重金属离子进行混凝吸附效应，达到去除重金属离子的结果。

而在不同水化学条件下用纳米二氧化钛与环境中污染物的相互作用效率较高的研究并不多。

本研究目的为：

探索纳米二氧化钛在不同pH下，与不同金属离子的不同浓度下的反应产物的物理性质（如粒径、表面电位），为其在环境中的影响提供理论依据，并为后续的研究探寻好方向[1-2]。

2实验

2.1实验药品

纳米二氧化钛溶液、NaCl、NaOH、HCl、Cu（NO3）2·3H2O、K2Cr2O7、Pb（NO3）2、Zn（NO3）2·6H2O以上均为分析纯试剂，以及去离子水。

2.2实验方法

2.2.1配置实验试剂

①用250mL容量瓶分别配置5mg/mL的Cr2+、Pb2+、Zn2+、Cu2+溶液。

②称取5.85gNaCl分析纯晶体配置0.001mol/mL的NaCl溶液。

③配置0.1mg/mL的TiO2溶液。

④分别取0.5mL含Cr2+、Pb2+、Zn2+、Cu2+溶液（均为5mg/mL）、0.05mLNaCl溶液（0.001mol/mL），配置成50mL混合溶液，将pH分别调至约为：

3/4/5/6/7/8/9/10。

⑤分别取0.5mL含Cr2+、Pb2+、Zn2+、Cu2+溶液（均为5mg/mL）、0.05mLNaCl溶液（0.001mol/mL），配置成50mL混合溶液，调节pH至3。

⑥分别配置50mLCr2+、Pb2+、Zn2+、Cu2+0.1/0.3/0.5/0.7/0.9/1/10/100ug/ml的相应溶液、并与0.05mLNaCl溶液（0.001mol/mL）混合，调节pH至7[3]。

2.2.2检测分析

在用ZetaSize分析仪送样检测前，取1.5ml配置好的纳米二氧化钛试剂于配好的试剂中，混合均匀后立即装至样品池中进行检测其粒子粒径与Zeta电位。

3结果与结论

3.1实验结果

3.1.1不同pH下各金属离子对纳米二氧化钛的影响

（1）不同pH下，Cr2+对纳米二氧化钛的物性影响

pH

3.13

4.13

5.15

6.23

7.04

8.07

8.94

9.93

粒径（nm）

1186

138.4

123.8

128.4

127.8

123.4

122.1

127.0

Zeta电位

（mv）

0.239

-22.3

-31.4

-33.2

-35.2

-34.3

-35.1

-39.6

（2）不同pH下，Pb2+对纳米二氧化钛的物性影响

pH

3.15

4.02

4.94

5.97

6.91

8.10

8.97

9.95

粒径（nm）

557.9

130.4

129.5

132.6

131.7

134.7

133.3

134.4

Zeta电位（mv）

-12.8

-27.0

-34.2

-33.7

-37.5

-35.6

-38.6

-36.1

（3）不同pH下，Zn2+对纳米二氧化钛的物性影响

pH

3.27

4.28

5.02

6.11

7.12

8.21

9.06

9.96

粒径（nm）

404.2

124.1

130.6

133.1

138.1

133.3

130.5

130.4

Zeta电位（mv）

-13.6

0.0960

-32.1

-33.5

-34.1

-32.0

-37.2

-34.3

（4）不同pH下，Cu2+对纳米二氧化钛的物性影响

pH

3.16

3.96

5.13

5.95

7.12

7.93

9.06

10.09

粒径（nm）

1041

153.9

122.9

124.0

125.5

128.4

127.4

130.8

Zeta电位（mv）

-4.40

0.698

-29.8

-33.9

-35.4

-0.555

-0.395

-0.278

由以上四组数据可推断pH小于等于3时，粒径为最大，而pH>4时粒径变小且趋于稳定。

3.1.2不同结合时间下各金属离子对纳米二氧化钛的影响

（1）溶液pH=3时Cr2+对纳米二氧化钛的物性影响

Cr2+

0min

3min

6min

9min

12min

15min

18min

21min

24min

27min

粒径（nm）

216.6

230.2

253.2

276.8

318.5

406.8

410.9

551.5

694.8

819.9

Zeta电位（mv）

-16.6

-17.6

-18.4

-19.4

-18.6

-18.6

-19.9

-19.0

-18.3

-18.7

（2）溶液pH=3时Pb2+对纳米二氧化钛的物性影响

Pb2+

0min

3min

6min

9min

12min

15min

18min

21min

24min

27min

粒径（nm）

228.8

257.1

323.9

452.2

618.4

787.9

951.7

1120

1154

1388

Zeta电位（mv）

-16.2

-18.1

-18.0

-16.7

-16.4

-16.7

-17.2

-15.5

-15.9

-16.2

（3）溶液pH=3时Zn2+对纳米二氧化钛的物性影响

Zn2+

0min

3min

6min

9min

12min

15min

18min

21min

24min

27min

粒径（nm）

229.6

248.7

304.6

338.3

399.2

562.4

551.6

666.2

760.6

847.5

Zeta电位（mv）

-16.1

-17.8

-19.6

-17.6

-17.4

-17.1

-16.5

-17.2

-17.0

-16.2

（4）溶液pH=3时Cu2+对纳米二氧化钛的物性影响

Cu2+

0min

3min

6min

9min

12min

15min

18min

21min

24min

27min

粒径（nm）

245.2

318.6

410.4

464.2

643.3

730.3

913.2

998.0

1117

1363

Zeta电位（mv）

-15.4

-16.4

-16.7

-17.5

-16.4

-16.1

-16.6

-16.7

-15.2

-14.7

3.1.3重金属浓度对纳米二氧化钛的物性影响

（1）溶液pH=7时Cr2+浓度对纳米二氧化钛的物性影响

Cr2+（ug/ml）

0.1

0.3

0.5

0.7

0.9

1

10

100

粒径（nm）

134.0

134.8

139.4

143.0

146.5

130.5

132.3

130.0

Zeta电位（mv）

-31.5

-31.9

-34.0

-35.6

-33.9

-33.8

-33.5

-34.6

（2）溶液pH=7时Cu2+浓度对纳米二氧化钛的物性影响

Cu2+（ug/ml）

0.1

0.3

0.5

0.7

0.9

1

10

100

粒径（nm）

143.0

144.2

143.8

146.0

146.5

128.2

129.4

127.9

Zeta电位（mv）

-25.1

-31.5

-30.9

-34.2

-35.2

-18.9

-34.9

-32.9

（3）溶液pH=7时Pb2+浓度对纳米二氧化钛的物性影响

Pb2+（ug/ml）

0.1

0.3

0.5

0.7

0.9

1

10

100

粒径（nm）

143.2

143.3

144.2

141.6

142.4

134.9

147.0

148.1

Zeta电位（mv）

-34.5

-35.5

-34.0

-35.4

-37.3

-34.1

-35.5

-35.1

（4）溶液pH=7时Zn2+浓度对纳米二氧化钛的物性影响

Zn2+（ug/ml）

0.1

0.3

0.5

0.7

0.9

1

10

100

粒径（nm）

145.1

145.5

144.7

149.1

146.2

143.7

144.7

144.6

Zeta电位（mv）

-33.8

-35.6

-35.0

-36.1

-36.3

-30.9

-36.6

-34.5

以上四大组数据差异不大。

3.2结果分析

3.2.1溶液pH对纳米二氧化钛的物性影响

由于各种金属离子在不同pH值溶液中会发生不同程度的电离作用，从而影响纳米二氧化钛表面的双电层特性，继而影响其颗粒絮凝程度。

因此，我们首先研究了不同金属离子在不同pH值时对纳米二氧化钛的影响，通过实验3.1.1数据发现其变化趋势相同，即仅在pH=3时影响最大（Cu2+在pH较高的时候其Zeta电位有波动现象），在其他pH值时影响甚微，故将pH=3时的情况又单独进行试验[3-5]。

3.2.2不同结合时间对纳米二氧化钛的物性影响

我们根据文献查得这四种金属离子在溶液pH>4时均会发生不同程度的水解，影响其在水中的金属离子浓度，从而对纳米二氧化钛的影响不大。

而当溶液pH控制在3左右时，溶液中金属离子主要以离子形式存在，进而纳米二氧化钛与其发生作用，产生絮凝。

对实验3.1.2进行数据处理以及分析，不难发现，初始纳米二氧化钛粒径几乎一致，随着时间变化，其粒径均在持续上升，其中Cu2+与Pb2+对其影响更大，但是Zeta电位并没有明显的变化，但是可以看出其有上升趋势。

可以推测，金属离子可以促进纳米二氧化钛的絮凝。

查金属活动性顺序，Zn、Cr、Pb、Cu的电势能φA/V分别为：

-0.762、-0.744、-0.126、+0.342，可知，Cu与Pb的金属活动性不强，其对应水溶液离子则表现为氧化性，在pH=3条件下促进溶液水解电离，从而影响纳米二氧化钛表面双电子层特性，继而促进了其絮凝[2][5][6]。

3.2.3不同金属离子浓度对纳米二氧化钛的物性影响

对实验3.1.3进行数据处理以及分析，在pH接近7时，不同金属离子浓度对纳米二氧化钛的影响不大，建议后续实验重点研究强酸性及强碱性环境下的不同因素对纳米二氧化钛物性的影响。

我们在实验过程中发现，在pH=3时，金属离子的浓度也会影响粒径的大小，因为实验3.1.1中金属离子溶液是用5ml移液枪取的，而3.1.2中金属离子溶液是用1ml移液枪取的，而两组实验pH=3的数据相差较大，具体原因需更多实验来证明[7-8]。

4结论与展望

通过测定不同金属离子在不同pH下对纳米二氧化钛的粒径以及Zeta电位，研究结果表明，不同金属离子在pH=3溶液条件下，可以迅速使纳米二氧化钛溶液产生絮凝，其中Cu2+与Pb2+对其影响更大，主要表现在其絮凝速率更快。

因此可得出，金属离子在一定程度上影响了纳米二氧化钛的物理性质，促进其产生絮凝，降低了纳米材料的比表面积，从而导致吸附能力下降。

可以推论，纳米材料会与金属离子发生作用，在pH<3时纳米材料更易与金属离子结合。

粒径大小与pH值、结合时间、金属离子浓度及种类有关。

Zeta电位大小与粒径及金属离子种类有关[2-3]。

致谢：

本次科技活动得到了研二学姐王明秀的大力支持，在此过程中学姐指导我们完成了实验的设计部分，并为我提供了论文的修改意见。

参考文献：

[1]史跃岗.二氧化钛纳米颗粒粒径影响因素的研究[D].大连理工大学，2008.12

[2]刘艳静.纳米SiO2对Pb2+污染水源水混凝过程的影响[A].环境工程学报，Vol.9，No.10,2015

[3]InfluenceofIonicStrength,pH,andCationValenceonAggregationKineticsofTitaniumDioxideNanoparticles，Environ.Sci.Technol.2009,43,1354–1359

[4]孙林涛、王纪云、赵春旭、束华东、王熙、刘艳华、杨力生，纳米微球粒径的影响因素研究，化学工程师，2015年第八期

[5]J.MICHAELBERG,AMELIAROMOSER,NIVEDITABANERJEE,REMAZEBDA&CHRISTIEM.SAYES，TherelationshipbetweenpHandzetapotentialof~30nmmetaloxidenanoparticlesuspensionsrelevanttoinvitrotoxicologicalevaluations，Nanotoxicology,December2009;3（4）:

276–283

[6]施踏青，纳米二氧化钛材料对金属离子吸附行为的研究及其应用，硕士学位论文，2015.12

[7]王慧云、崔亚男、张春燕，影响胶体粒子Zeta电位的因素，中国医药导报，2010年7月第7卷第20期

[8]姜军、徐仁扣，离子强度对三种可变电荷土壤表面电荷和Zeta电位的影响，土壤，2015,47

（2）：

422-426

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